NASKAH PUBLIKASI TUGAS AKHIR Analisis Buckling Terhadap Tabung Plat Tipis Menggunakan Metode Elemen Hingga.

(1)

NASKAH PUBLIKASI

TUGAS AKHIR

ANALISIS BUCKLING TERHADAP TABUNG PLAT TIPIS

MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA

Makalah Seminar Tugas Akhir ini disusun sebagai syarat untuk mengikuti Ujian Tugas Akhir Pada Jurusan teknik Mesin Fakultas Teknik

Universitas Muhammadiyah Surakarta

Disusun oleh: YUSUF BAKHTIAR

NIM : D200100001

Pembimbing: Ir. Bibit Sugito, MT.

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

(2)

(3)

ANALISIS BUCKLING TERHADAP TABUNG PLAT TIPIS

MENGGUNAKAN METODE ELEMEN HINGGA

Yusuf Bakhtiar

Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta

Jl. A Yani Tromol Pos 1 Pabelan, Kartasura.

Email :yusufbakhtiarrr@gmail.com

Abstraksi

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui besarnya pengaruh rangka dengan beberapa elemen terhadap Velocity yang terjadi pada proses buckling dan mengetahui pengaruh rangka dengan elemen 3388 dengan mendapatkan velocity yang berbeda beda terhadap tegangan regangan.

Metode penelitian yang digunakan berupa pengujian buckling atau tekuk berupa simulasi dengan software berbasis metode elemen hingga. Bentuk benda yang di desain terdiri dari Thin Cylinder dengan dimensi (120x40x0.2) mm3 bersifat Deformable atau Fleksible dan Punch dengan ketentuan bersifat Rigid.

Pada rangka atau thin cylinder variasi jumlah mesh / elemen 2945, 3260, 3388, 4455 dan 4936 dengan velocity 75 pada waktu 1 second. kemudian dengan variasi Velocity 70, 75, 80, 85 dan 90 dengan jumlah elemen / mesh 3388 dan waktu 1 second. Sebagai pertimbangan ketelitian spesifikasi bahan material dari bahan Alluminium dengan density material : 2770 kg/m3, Modulus Elastisitas (E) : 7.1E+10 dan Poisson Ratio (v) : 0.33

Hasil yang diperoleh pada nilai tegangan tertinggi sebagai berikut : Jumlah Elemen 2945 = 4.3663x108Pa, Elemen 3260 = 5.1174x108Pa, Elemen 3388 = 5.2875x108Pa, Elemen 4455 = 4.5531x108Pa, Elemen4936 = 3.8710x108Pa

Hasil Tegangan dan Regangandengan beberapa Velocity sebagai berikut ; Velocity 70 = 8.2777x108Pa dan -0.5122, Velocity 75 = 5.2875x108Pa dan -4015, Velocity 80 = 5.3169x108Pa dan -0.5122, Velocity 85 = 4.0110x108Pa dan -0.3889, Velocity 90 = 4.8473x108Pa dan -0.5037

(4)

PENDAHULUAN

Sebagian besar struktur yang memiliki dimensi langsing atau tipis dan mengalami tegangan tekanakan mengalami masalah instabiltas tekuk atau buckling. Buckling merupakan suatu proses dimana suatu struktur tidak mampu mempertahankan bentuk aslinya, sedemikian rupa berubah

bentuk dalam rangkamenemukan

keseimbangan baru. Konsekuensi

buckling pada dasarnya adalah masalah geometrik dasar, dimana terjadi lendutan besar sehingga akan mengubah bentuk struktur. Fenomena tekuk atau buckling dapat terjadi pada sebuah kolom, lateral buckling balok, pelat dan cangkang (shell).

Peristiwa buckling dapat terjadi

pada batang langsing yang

mendapatkan tekanan aksial. Batang plat tipis adalah batang yang mempunyai perbandingan panjang dan jari-jari girasi penampang yang besar.

Analisis bucklingmerupakan

teknik yang digunakan untuk

menghitung beban buckling, beban kritis pada struktur yang menjadikan kondisi tidak stabil dan ragam buckling

(mode shape), karateristik bentuk yang berhubungan dengan respon

struktur yang yang mengalami

buckling.

Ada dua teknik analisis

bucklingbuckling untuk memprediksi beban buckling dan ragam struktur

buckling, yaitu analisis

nonlinearbuckling dan analisa eigenvalue linear buckling.

Metode analisis instabilitas secara umum ada dua jenis yaitu

bifurcation (eigenvalue, linear)

bucklingdan snapthrough (nonlinear)

buckling. Pada metode pertama, analisis bifurcationbuckling, beban kritis buckling di analisis pada titik bifurkasi dari idealisasi struktur

elasticlinear dengan penyelesaian masalah nilai eigen. Meskipun analisis pendekatan dengan nilai eigen ini hasilnya tidak konservatif akan tetapi karena lebih cepat

metode ini digunakan sebagai

pendekatan awal. Sedangkan

metode kedua, snapthrough

(nonlinear) buckling, biasanya lebih akurat dengan teknik analisis

nonlinear. Pada analisis

nonlinearsnapthroughbuckling

struktur dianalisis terhadap beban yang meningkat secara gradual tahap demi tahap sampai beban batas.

BATASAN MASALAH

Dalam penelitian ini diberikan batasan batasan masalah agar tidak terjadi meluasnya permasalahan yaitu sebagai berikut:

1. Analisis dan simulasi dilakukan dengan software ANSYS 15

2. Desain Punch (100x100x5) mm3 3. Desain Rangka 3D (t : 120 mm

dan r : 20mm) 4. Desain ThinSilinder

TUJUAN PENELITIAN

Tujuan yang ingin dicapai dalam proses silmulasi buckling ini sebagai berikut:

1. Mengetahui fenomena buckling

pada model silinder.

2. Mengetahui parameter –

parameter analisis pada FEM

yang berpengaruh terhadap

buckling.

TINJAUAN PUSTAKA

Sutrisno.(2011), Suatu kontruksi bangunan, terutama pada kontruksi yang terbuat dari beton, baja atau keduanya tidak lepas dari elemen elemen plat, kolom maupun balok

kolom. Masing masing elemen

(5)

baik tekan atau normal sehingga terjadi tegangan normal. Akibat gaya normal tersebut terjadi deformasi berupa pemendekan akibat gaya normal tekan dan bertambah panjang akibat gaya normal tarik, jika semua ini masih dalam batas batas yang diijinkan maka konstruksi ini akan stabil.

http://riosinaga55.blog.com/2011 /05/18/backling-tekukan/Sebagian besar struktur yang memiliki dimensi langsing atau tipis dan mengalami tegangan tekan akan mengalami masalah instabiltas tekuk atau

buckling. Buckling merupakan suatu proses dimana suatu struktur tidak

mampu mempertahankan bentuk

aslinya, sedemikian rupa berubah bentuk dalam rangka menemukan

keseimbangan baru. Konsekuensi

buckling pada dasarnya adalah masalah geometrik dasar, dimana terjadi lendutan besar sehingga akan mengubah bentuk struktur. Fenomena tekuk atau buckling dapat terjadi pada sebuah kolom, lateral buckling balok, pelat dan cangkang (shell).Peristiwa

buckling dapat terjadi pada batang langsing yang mendapatkan tekanan aksial. Batang plat tipis adalah batang

yang mempunyai perbandingan

panjang dan jari-jari girasi penampang yang besar.

Dishong.(2003) Pokok Teknologi

Struktur untuk Konstruksi dan

Arsitektur. Buckling merupakan suatu jenis dari kegagalan struktur yang terjadi pada struktur kolom atau juga berbentuk tiang. Hal ini terjadi akibat pembebanan secara aksial pada struktur tersebut, jika suatu tiang yang tipis diberi tekanan maka tiang tersebut akan membengkok dan terdeteksi secara lateral sehingga dapat dikatakan struktur tersebut

mengalami Buckling. Dengan

bertambahnya beban aksial pada struktur kolommaka defleksi lateral

juga akan bertambah dan pada akhirnya kolom akan benar benar terdeformasi plastis.

Hutton. (2004)Fundamental Of Finite Elemen Analysis. Metode elemen hingga adalah teknik yang

digunakan untuk memperoleh

pendekatan solusi permasalahan nilai batas di dalam rancang bangun teknik.Metode elemen hingga adalah dasar dari perhitungan numerik yang dilakukan oleh bahasa program di perangkat lunak computer.

LANDASAN TEORI Pengertian Buckling

Buckling merupakan suatu jenis dari kegagalan struktur yang terjadi pada struktur kolom atau juga berbentuk tiang. Hal ini terjadi akibat pembebanan secara aksial pada struktur tersebut, jika suatu tiang yang tipis diberi tekanan maka tiang tersebut akan membengkok dan terdeteksi secara lateral sehingga dapat dikatakan struktur tersebut

mengalami Buckling. Dengan

bertambahnya beban aksial pada struktur kolommaka defleksi lateral juga akan bertambah dan pada akhirnya kolom akan benar benar terdeformasi plastis.

Silinder atau komponen

berdinding tipis di bawah compressive stress rentan terhadap buckling. Euler Bucklingdimana anggota subyek long slender dengan gaya tekan bergerak lateral kearah kekuatan seperti gambar. Gaya dan juga Velocity diperlukan untuk sebuah buckling.

Solusi teoritis Euler akan

(6)

Gambar 1. Gambar Buckling karena ketidakstabilan struktur.

Material mengalami Buckling atau peruban bentuk (deformasi) karena ketidakstabilan struktur akibat pembebanan yang diterima. Suatu tumpuan juga mempengaruhi sebuah proses Buckling.

Pendekatan dengan Metode Elemen Hingga digunakan sebagai pendekatan numeric sebagai peristiwa yang terjadi pada elemen logam dan non logam. Komputasi numerik dapat

dimodelkan diantaranya dengan

program ANSYS. Program ini mampu menganalisa proses Buckling dengan

sangat baik dibanding dengan

program – program yang lainya.

Eksperimen dengan analisa program ANSYS memberikan hasil yang mendekati sama. Atau mungkin

dapat dikatakan sama karena

perbedaanya tidak berarti. Maka

software pemprogaman computer

dengan ANSYS adalah software yang sesuai untuk menganalisa rangka.

Metode elemen hingga adalah

teknik yang digunakan untuk

memperoleh pendekatan solusi

permasalahan nilai batas di dalam rancang bangun teknik.

Metode elemen hingga adalah dasar dari perhitungan numerik yang dilakukan oleh bahasa program di perangkat lunak komputer.

Teori Tegangan dan Regangan

1. Tegangan

Tegangan adalah besaran

pengukuran intensitas gaya atau reaksi yang timbul persatuan luas. Tegangan menurut Marciniak (2002)

dibedakan menjadi dua yaitu,

Engineeringstress dan Truestress.

Engineeringstress dapat dirumuskan sebagai berikut:

Sedangkan true stress adalah

tegangan hasil pengukuran intensitas gaya reaksi yang dibagi dengan luas permukaan sebenarnya. True stress

dapat dihitung dengan:

σ =

Tegangan normal dianggap positif jika menimbulkan suatu tarikan (tensile)

dan dianggap negatif jika

menimbulkan penekanan

(compression).

2. Regangan

Regangan didefinisikan sebagai

perubahan panjang material dibagi panjang awal akibat gaya gaya tarik ataupun gaya tekan pada material. Apabila suatu spesimen struktur material diikat pada jepitan mesin penguji dan bahan serta pertambahan panjang spesifikasi diamati serempak, maka dapat digambarkan pengamatan

pada grafik dimana koordinat

menyatakan beban dan absis

(7)

Hubungan tegangan dan regangan tidak lagi linier pada saat material mencapai pada batasan fase sifat plastis.

Menurut Marciniak (2002) regangan

dibedakan menjadi dua, yaitu

Engineering strain dan true strain. Engineering strain adalah regangan yang dihitung menurut dimensi benda aslinya (panjang awal).Sehingga untuk mengetahui besarnya regangan yang terjadi adalah dengan membagi

perpanjangan dengan panjang

semula.

εeng =

Dimana :

εeng = Engineering strain

= Perubahan panjang (mm)

= Panjang mula-mula (mm) = Panjang setelah diberi gaya (mm)

True strain regangan yang dihitung secara bertahap (increment strain),

dimana regangan dihitung pada

kondisi dimensi benda saat itu (sebenarnya) dan bukan dihitung berdasarkan panjang awal dimensi benda. Maka persamaan regangan untuk true strain adalah:

ε = Dimana

ε = True strain

3. Deformasi

Deformasi atau perubahan bentuk yang terjadi apabila bahan dikenai

gaya. Selama proses deformasi

berlangsung bahan menyerap energi sebagai akibat gayanya yang bekerja. Sebesar apapun gaya yang bekerja pada bahan, bahan akan mengalami

perubahan bentuk dan dimensi.

Perubahan bentuk secara fisik pada benda dibagi menjadi dua, yaitu deformasi plastis dan deformasi elastis.

Penambahan pada bahan yang telah mengalami kekuatan tertinggi tidak dapat dilakukan, karena pada kondisi

ini bahan telah mengalami deformasi total. Jika beban total diberikan maka regangan akan bertambah dimana

material seakan menguat yang

disebut dengan penguatan regangan (strain hardening) yang selanjutnya benda akan mengalami putus pada kekuatan patah (singe 1995).

Hubungan tegangan regangan dapat dituliskan sebagai berikut :

E = E = Modulus Elastisitas

Pada awal pembebanan akan terjadi deformasi elastis sampai pada kondisi

tertentu bahan akan mengalami

deformasi plastis. Pada awal

pembebanan bahan dibawah

kekuatan luluh bahan akan kembali ke bentuk semula, hal ini dikarenakan sifat elastis bahan. Peningkatan beban melebihi kekuatan luluh (yield point) yang dimiliki plat akan

mengakibatkan aliran deformasi

(8)

METODE PENELITIAN Diagram Alir Penelitian

Dilakukan Juga Pengujian

aktual untuk membandingkan hasil

simulasi dengan pengujian

dilapangan.

Alat dan Bahan

1 Alat uji tekan

Gambar 2. Alat Uji Tekan 2 Thin Cylinder

Gambar 3.Aluminium Thin Cylinder

Engineering data, Material dll

Model, Set up, Solution: Clamp, velocity, Fixed support, stress, strais dll.

Running Program Ansys 15

Hasil dan kesimpulan

Selesai Mulai

Persiapan dan studi literatur

Pembuatan DesainAnsys Thin Silinder (Geometry) 120mmx40mmx0,2mm

TIDAK

Proses Meshing / Jumlah Elemen 2945, 3260, 3388,

4455 dan 4936.

Proses Velocity dengan 70, 75, 80,

85 dan 90 m/s.

Velocity 75 m/s

Mesh 3388

Simulasi software berbasis FEM

Pembuatan Thin Silinder (Geometry) 120mmx40mmx0,2mm

Engineering data, Material dll

Simulasi software berbasis FEM

Deformasi

2 rad/min (0.0008 m/s)

Kriteria Optimal

(9)

METODOLOGI PENELITIAN

Gambaran Permasalahan

Pada simulasi buckling ini

langkah yang dilakukan yaitu

membuat model rangka dan punch, kemudian melakukan simulasi dengan variasi jumlah elemen, selamjutnya dilakukan studi konvergensi dengan melakukan meshing untuk jumlah elemen yang berbeda beda sampai konvergensi terpenuhi dan metode

Velocity pada punch atau penekan. Hasil simulasi dapat dilihat nilai tegangan regangan, deformasi dan

buckling yang terjadi.

Permodelan pengujian

Gambar 4.Assembly bentuk pengujian

1. Punch

Punch adalah benda yang

berfungsi memberikan pembebanan pada material uji Aluminium dan bersifat rigid. Dengan geometri yang telah ditentukan yaitu (100x100) mm2

2. Rangka

Rangka yang akan di uji dalam permodelan yang berjenis deformable

atau fleksibel berdiameter: 40mm panjang: 120mm dan tebal: 0,2mm. Model rangka diberikan properties material sebagai berikut:

Material : Aluminium

Density Material : 2770 kg/m3 Modulus elastisitas : 7.1E+10 Poisson ratio : 0.33

3. fixed support

Berfungsi menahan beban yang diterima pada material aluminium di bagian bawah. Dengan geometri

(80x80) mm2 dengan ketebalan

10mm. seperti gambar 6 dibawah

Perbandingan hasil Pemprogaman software berbasis FEM Ansys 15.0 dengan Pengujian Aktual di Lapangan.

Pengujian dilakukan dengan

property material dan geometry yang sama dengan Ansys 15. Pengujian menggunakan Software Ansys yang dilakukan di Labkom Fakutas Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah

Surakarta, dengan spesifikasi

Komputer sesuai spesifikasi minimal software.Sementara untuk pengujian Aktual dilakukan pada Laboratorium Teknik Sipil.

Dengan tujuan, Membandingkan dua hasil output data dari Program Ansys Workbench dengan Pengujian Aktual di Lapangan.

1

2

(10)

Gambar 5. Thin cylinder uji actual dan alat mesin tekan pada lab Sipil.

Gambar 6.Hasil Pengujian yang dilakukan pada Lab.Teknik Sipil Universitas Muhammadiyah Surakarta dengan Ansys per stepnya.

Dengan Melakukan Pengamatan terhadap dua hasil pengujian yang dilakukan, yaitu dengan Simulasi pada Ansys Workbench dan Pengujian yang dilakukan pada Laboratorium

Teknik Sipil Universitas

Muhammadiyah Surakarta.Diketahui bahwasanya kedua hasil pengujian mempunyai hasil Deformasi yang mendekati walaupun tidak sebaik dari Simulasi Ansys 15.

HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Simulasi Dan Pembahasan Visualisasi proses buckling tekuk

Visualisasi proses buckling

(tekuk) dengan ANSYS Workbench

(a)

(b)

(11)

1. Simulasi buckling pada rangka dengan elemen / mesh 2945, 3260,3388, 4455, dan 4936.

Simulasi dari penelitian dan pengamatan yang dilakukan adalah gerakan impact (benturan) pada arah aksial dari masing masing rangka dengan element 2945, 3260, 3388, 4455 dan 4936 dengan bantuan

Ansys Workbench 15. Simulasi

dilakukan dengan menekan

menggunakan beban pada rangka

yang deformable atau fleksible

dengan benda yang rigid, dengan bahan deformable kerangka dapat diteliti deformasinya dan dengan bahan yang rigid tidak akan berubah bentuk saat dilakuakan pengujian

impact.

Besarnya deformasi yang terjadi oleh rangka dari hasil simulasi saat dipengaruhi oleh kecepatan dan masa dan energi kinetic yang terjadi dasar dari analisisa uji tekan yang dilakukan. Energi adalah kemampuan untuk melakukan kerja, sedangkan kerja adalah gaya dikalikan jarak, dari sini bisa diambil pengertian bahwa gaya yang bekerja adalah gaya luar yang

dipengaruhi oleh jarak dan

kecepatanya. Sedangkan gaya dalam (internal work) akan mempengaruhi besarnya energi dalam yang diterima tabung tipis selama terjadinya

benturan. Energi dalam adalah

(internalenergy) dipengaruhi oleh besarnya deformasi yang dialami material, deformasi disini diartikan sebagai perpindahan yang dialami tabung tipis.

Pada simulasi akan ditunjukan

besarnya gaya impact dan tegangan yang terjadi pada rangka, dimana rangka tersebut akan diambil 5 elemen yang mengalami energi kritis.

Simulasi benturan atau impact

dilakukan dengan memberikan

steptime 1 dan velocity pada punch

atau penekan adalah 75 m/s. daerah

rangka yang mengalami buckling

dapat dilihat dan besarnya energi kinetik, energy regangan, tegangan-regangan dan gaya tumbuk (impact) yang dialami oleh rangka dapat diketahui dari grafik yang ditunjukkan oleh output.

Rangka dengan jumlah elemen 2945

Visualisasi tegangan pada

Buckling dengan jumlah elemen 2945

pada stepbuckling, frame

ke-1.Steptime 1 second. Pada frame ini menunjukkan visualisasi tegangan tertinggi pada proses buckling.

Gambar 8. Visualisasi distribusi tegangan elemen 2945

Pada gambar.8 ditunjukkan tegangan maksimum 4.3663x108 Pa.

(12)

Pada gambar.9 ditunjukkan tegangan maksimum 5.1174x108 Pa. Ditunjukkan dengan panah warna merah.

Pada gambar.10 ditunjukkan tegangan maksimum 5.28758 Pa. Ditunjukkan dengan panah warna merah.

Pada gambar.11 ditunjukkan

tegangan maksimum 4.5331x108

Pa.Ditunjukkan dengan panah warna merah.

Gambar 12 Visualisasi distribusi tegangan elemen 4936

Pada gambar.12 ditunjukkan

tegangan maksimum 3.8710x108

(13)

Grafik 1 Hubungan antara tegangan dengan jumlah elemen

Visualisasi proses buckling pada rangka elemen 3388 dengan

velocity 70, 75, 80, 85 dan 90 m/s. 2. Simulasi buckling (tekuk) pada rangka elemen 3388 dengan

velocity 70 m/s

Simulasi buckling (tekuk) pada rangka elemen 3388 dengan velocity 70 m/s mengakibatkan rangka akan

mengalami tekukan sehingga

mengalami deformasi atau perubahan bentuk.

Gambar 13 Visualisasi distribusi tegangan velocity 70 m/s

Dari gambar.13 diperoleh nilai tegangan maksimal 8.277x108 Pa. dan Regangan -0.5112.

Grafik 2 hubungan antara tegangan-regangan dengan velocity 70 m/s

Simulasi buckling (tekuk) pada rangka elemen 3388 dengan

Simulasi buckling (tekuk) pada rangka elemen 3388 dengan velocity

75 m/s mengakibatkan rangka akan

Dari gambar.14 diperoleh nilai tegangan maksimal 5.2875x108 Pa. dan Regangan -0.4015

(14)

Simulasi buckling (tekuk) pada rangka elemen 3388 dengan velocity 80 m/s mengakibatkan rangka akan

Dari gambar.14 diperoleh nilai tegangan maksimal 5.3169x108 Pa. dan Regangan -0.5122

Dari gambar.14 diperoleh nilai tegangan maksimal 4.0118 Pa. dan Regangan -0.3889

(15)

Dari gambar.15 diperoleh nilai tegangan maksimal 4.84738 Pa. dan Regangan -0.50372

Hubungan antara besarnya

velocity dengan tegangan maksimal pada simulasi Ansys 15.

Pada simulasi Buckling (tekuk) dengan variasi velocity yang berbeda yaitu 70, 75, 80, 85 dan 90 m/s dengan jumlah elemen 3388 dapat disimpulkan bahwa semakin tinggi

velocity yang diberikan, maka

deformasi yang terjadi pada material semakin tinggi. Sehingga rangka yang mula mula lurus berubah menjadi menekuk dan panjang rangka berubah

menjadi pendek.Seperti yang

ditunjukkan pada gambar.

Kesimpulan

1. Fenomena Buckling pelat

berhasil dilakukan dengan software Ansys. Pada simulasi Buckling (tekuk) dengan variasi velocity yang berbeda yaitu 70, 75, 80, 85 dan 90 m/s dengan jumlah elemen 3388, semakin tinggi velocity yang diberikan, maka deformasi yang terjadi pada material semakin tinggi, Sehingga rangka yang mula mula lurus berubah menjadi menekuk.

2. Parameter yang berpengaruh

pada FEM dengansoftware Ansys adalah ukuran mesh dan velocity, semakin tinggi Velocitynya, beban maksimal yang mampu ditahan oleh material semakin rendah, karena ada unsur kejutan yang mempengaruhi titik simetrisnya dan semakin sedikit

jumlah elemen atau mesh maka

(16)

DAFTAR PUSTAKA

Bakir (2005), Simulasi Buckling dan Collapse Menggunakan software Metode Elemen Hingga. Tugas Akhir S-1. Universitas Muhammadiyah Surakarta. Surakarta.

Bourke, M.A, Beyerlein, I. J, 2003, Finite Element Analysys of the Plastic Deformasi Zone and Working Load in Equal Chanenel of Abgular Extrution, Journal of Material Processing Technology, NM 87545, USA.

Dishong.(2003) Pokok Teknologi Struktur untuk Konstruksi dan Arsitektur. Department Of ConstructionManagement Louisiana State University.

Hutton. (2004)Fundamental Of Finite Elemen Analysis, International Edition Newyork.

Popov, E.P., 1986, Mekanika Teknik, Edisi kedua Erlangga, Jakarta.